高性能荧光光学传感器制造技术

用于测定分析物的存在或浓度的光学传感器装置，包括波导（１０３），放置在基底（１００）的光源（１０１）之上并用内部挡板（１０４）分隔开，其中波导具有的厚度与光源的远场辐射点相对应，远场辐射点取决于光源和光探测器之间的遮光挡板。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及传感器装置，用以探测来自指示剂的电磁辐射，所研究的分析物 从指示剂中渗透过去，其中辐射特性作为分析物浓度的函数而变化。更具体地说，此专利技术涉 及对这些传感器装置的设计和性能方面的改进。
技术介绍
本文引用美国专利号5，517，313公开的内容，并在此作为参考，该专利描述的荧 光传感装置包括分层排列的包含分子的荧光指示剂矩阵(此后称为“荧光矩阵”)；高通滤 波器以及光探测器。在此装置中，光源，最好是发光二极管(“LED”)，至少部分地位于指示 剂材料内，这样，来自光源的入射光导致指示剂分子发出荧光。高通滤波器允许从指示剂分 子发射出来的光到达光探测器，而滤掉来自光源的杂散入射光。分析物可以渗透荧光矩阵， 与现存分析物数量成比例地改变指示剂材料的荧光性质。然后，用光探测器探测和测量荧 光辐射，这样就提供了在所研究的环境中的现存分析物数量或浓度的度量。在专利’ 313中公开的该类型传感器装置的一种有益的应用是把该装置植入体内， 既可植入皮下，也可在静脉内或其他地方植入，以使得可以在任何想要的时刻即时测量分 析物。例如，想要在病人失去知觉时测量其血液中氧的浓度，或测量糖尿病人血液中葡萄糖 的含量。自从在专利’ 313中描述的装置专利技术以来，现今的专利技术家们已开发出许多改良设 计，显著地提高了在专利、313中描述的该类型光学传感器装置的性能、可靠性及寿命。具体说，这些传感器装置受到大小及重量的限制，尤其是在体内(in-vivo)或原 位(in-situ)应用时，在使功率消耗和发热量最小化的同时，为了得到更可靠和精确的测 量信号，重要的是使可用的指示剂矩阵的效率最大化。另外，传感器装置设计应该有可能使 成本有效、可大批量生产的产品以合理价格销售。此外，期望装置的寿命可以最长化，尤其 是对必须植入体内用于原位(in-situ)检测生物分析物的装置更是如此。专利技术概述按照本专利技术的一方面，提供一个用来测定分析物的存在或浓度的光学传感器装 置，包括基底；在基底上形成的遮光挡板层，并且其中至少有两个腔；光源装在其中一个 腔内的基底表面上，通电后，主要发射预先选定的波长的光；光探测器装在与光源邻近的基 底表面上另一个腔内，并用遮光挡板从中隔开，用来探测入射其上的光，并在此产生响应的 电信号；波导形成在光源和光探测器之上，在装有光源的腔内充满了与波导有相同折射率的透明环氧材料(印oxy)，这样可认为光源安装在波导“内”；波导具有的平均厚度与光源的远场辐射点相对应，远场辐射点取决于光源相对于遮光挡板的位置、光源的固有辐射分布、 或相对位置和固有辐射分布的结合；以及放置在波导外表面上的、分析物可渗透的指示剂 矩阵，该荧光矩阵含有荧光指示剂分子，这些分子的荧光性由于所述荧光矩阵中有分析物 存在而衰减或增强，预先选择好的波长以及荧光指示剂分子要这样来选择使光源发出的 波长在指示剂分子中激发荧光；其中光探测器对入射其上的荧光产生响应电信号，此荧光 由所述荧光指示剂分子发射。光探测器腔充满了掺入颜料的材料，其作用类似滤波器，基本 上阻止所述光探测器接收某些辐射波长，这些辐射波长不同于来自指示剂分子的需要的峰 值辐射波长。光探测器腔和光源腔两者的填充材料可以是环氧材料或其它聚合材料。根据本专利技术的另一方面，提供一种用于测定分析物的存在或浓度的光学传感器装 置，包括基底；光源，通电时，用于发射主要为预先选择好波长的光，并装在所述基底的表 面上；光探测器，用于探测入射其上的光并产生作为响应的电信号，装在邻近于所述光源的 所述表面上；波导，形成在所述光源和所述光探测器之上；可渗透分析物的指示剂矩阵，放 置在所述波导的外表面上，所述指示剂矩阵含有发光的指示剂分子，该指示剂分子的光辐 射会由于在所述矩阵中存在分析物而削弱或增强，选择所述指示剂分子以使得由所述光源 发出的波长激发所述指示剂分子内的光辐射；以及透明填充材料，形成在腔内所述光源之 上，所述光源位于该腔中，其中所述透明填充材料具有与所述波导大体相等的折射率，以便 所述光源有效地装在所述波导内；其中所述光探测器响应入射其上的、由所述指示剂分子 发出的光而产生电信号。根据本专利技术的另一方面，提供一种用于测定分析物的存在或浓度的光学传感器装 置，包括基底；光源，通电时，用于发射主要为预先选择好波长的光，并装在所述基底的表 面上；光探测器，用于探测入射其上的光并产生作为响应的电信号，装在邻近于所述光源的 所述表面上，并用遮光挡板从中隔开，该遮光挡板限定至少二个腔，所述光源与光探测器在 装到所述基底上时位于这二个腔中；波导，形成在所述光源、所述光探测器和所述腔之上； 可渗透分析物的指示剂矩阵，放置在所述波导的外表面上，所述指示剂矩阵含有发光的指 示剂分子，该指示剂分子的光辐射会由于在所述矩阵中存在分析物而削弱或增强，选择所 述指示剂分子以使得由所述光源发出的波长激发所述指示剂分子内的光辐射；以及掺入颜 料的填充材料，形成在所述腔内的光探测器之上，所述光探测器位于该腔中，其中所述掺入 颜料的填充材料起滤波器的作用，用来阻止由所述光源发射的主要的波长照射到所述光探 测器上；其中所述光探测器响应入射其上的、由所述指示剂分子发出的光而产生电信号。附图简述参考下面对优选实施例结合附图的详细描述，将会更充分地理解此专利技术。附图仅 作为例证，因而不是对本专利技术的限定，其中图IA是根据本专利技术的一个实施例的光学传感器装置的俯视图；图IB是图IA中的光学传感器装置的侧视图；图2A是附图说明图1A-1B中的光学传感器装置的侧视图，例示了激发视场和指示剂的响应 视场；图2B是图2A的端视图；图3A和3B是侧视图，分别说明从光学传感器的光源发射光噪声的问题和本专利技术实现的解决方案；图4是侧视图，依照本专利技术另一个实施例例示出用于的光学传感器的波导具有弯 曲表面；图5A-5D是侧视图，依照本专利技术例示了传感器装置的波导厚度最优化；和图6是一曲线图，显示了依照本专利技术的，适用于光学传感器装置的LED光源的光辐 射分布。专利技术详述图IA和IB显示了依照本专利技术的光学传感器装置的实施例。该装置包括光源，例 如LED 101 ；及光探测器，例如光电二极管102，光源和光探测器装在基底100上。光源和光 探测器由波导103封装，波导的外表面提供了荧光指示剂矩阵105，其中含有分析物-指示 剂分子。矩阵105以下列多种方式之一放置在波导103外表面上，诸如沉积、涂敷、粘合等 等，。光源101和光探测器 102用内部档板104a分开，它是基底100的档板层部分104的 一部分。档板部分104既可和基底100分开形成，或者也可以利用随后对腔的蚀刻或掩膜， 来与基底的形成过程集成在一起。档板层104能在基底100的基底层110上形成，来限定若干装在基底上并在其中 放置光源和光探测器的腔的界限。在腔上形成波导层103以前，将光源腔充满透明的环氧 或其它聚合材料106，这些材料最好与波导103具有大体相同的折射率，填充材料106可以 和用于波导103的材料相同，但不是必须相同。光探测器腔充满掺入颜料的环氧或聚合材料107，该材料起到滤波器的作用，用以 阻挡来自光源101的直接或反射光照射到光探测器102上。选择材料107的颜色，使得与 指示剂分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测定分析物的存在或浓度的光学传感器装置，包括：基底；光源，通电时，用于发射主要为预先选择好波长的光，并装在所述基底的表面上；光探测器，用于探测入射其上的光并产生作为响应的电信号，装在邻近于所述光源的所述表面上；波导，形成在所述光源和所述光探测器之上；可渗透分析物的指示剂矩阵，放置在所述波导的外表面上，所述指示剂矩阵含有发光的指示剂分子，该指示剂分子的光辐射会由于在所述矩阵中存在分析物而削弱或增强，选择所述指示剂分子以使得由所述光源发出的波长激发所述指示剂分子内的光辐射；以及透明填充材料，形成在腔内所述光源之上，所述光源位于该腔中，其中所述透明填充材料具有与所述波导大体相等的折射率，以便所述光源有效地装在所述波导内；其中所述光探测器响应入射其上的、由所述指示剂分子发出的光而产生电信号。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：阿瑟E小科尔文，史蒂文J沃尔特斯，
申请(专利权)人：医药及科学传感器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]